Comercialización del PLA/PBAT: la carrera por reducir los costes de producción

Con la implantación del Mecanismo de Ajuste en Frontera por las Emisiones de Carbono (CBAM) de la UE y la estrategia de «doble carbono» de China, las vías de producción petroquímica convencionales se enfrentan a una presión cada vez mayor. A medida que el PLA y el PBAT pasan de la fase de desarrollo en laboratorio a la producción a escala comercial, son cada vez más las empresas que se incorporan al mercado. La cuestión ya no es si se deben producir materiales biodegradables, sino quién será el primero en reducir los costes de producción.

Resumen de materiales

PLA (ácido poliláctico)
PLA Se obtiene mediante polimerización por apertura de anillo del lactido, derivado del ácido láctico, que a su vez se obtiene por fermentación a partir de biomasa renovable, como el almidón de maíz. Se trata de un polímero de origen biológico y biodegradable, y actualmente es uno de los bioplásticos más producidos del mundo.

PBAT (polibutileno adipato tereftalato)
El PBAT se sintetiza mediante la copolimerización de ácido adípico, ácido tereftálico (PTA) y 1,4-butanodiol (BDO). Actualmente, la mayor parte de sus materias primas son de origen petroquímico. En sentido estricto, el PBAT es un polímero biodegradable en lugar de un material totalmente de origen biológico.

Aunque el PLA y el PBAT difieren en cuanto a las materias primas, comparten aplicaciones posteriores muy similares en los sectores del embalaje, los films agrícolas y los productos flexibles. Los retos que plantean su separación, purificación y procesamiento posterior también son notablemente similares, por lo que se tratan conjuntamente en este artículo.

Cuatro cuellos de botella en la producción que no se pueden pasar por alto

1. La producción de monómeros de alta pureza es mucho más compleja que el procesamiento petroquímico convencional

La separación y purificación del ácido láctico, el lactido, los glicoles de origen biológico, el FDCA y otros monómeros renovables requiere una pureza propia de los polímeros (≥99,5%). Para lograrlo, suele ser necesario seguir varias etapas de procesamiento, entre las que se incluyen la destilación de recorrido corto, la destilación fraccionada y la cristalización en estado fundido.

2. Los caldos de fermentación son complejos y sensibles al calor

Los líquidos de fermentación contienen numerosas impurezas y compuestos térmicamente inestables. La destilación convencional consume una cantidad considerable de energía y provoca importantes pérdidas por polimerización y degradación térmica.

3. La eliminación de monómeros residuales de las masas fundidas de polímeros de alta viscosidad resulta extremadamente difícil

Tras la polimerización, la viscosidad del fundido puede alcanzar cientos de miles de centipoises. La desvolatilización eficaz de los monómeros residuales se convierte en uno de los factores más críticos que afectan a la calidad del producto final.

4. Los procesos por lotes no pueden satisfacer los requisitos de la producción comercial

La fabricación por lotes tiene dificultades para alcanzar la productividad y la rentabilidad necesarias en plantas de 10 000 toneladas. El procesamiento continuo exige una integración sofisticada de los sistemas a lo largo de toda la línea de producción.

Desde la purificación de los monómeros hasta el acabado posterior del polímero, la capacidad de los equipos se ha convertido en uno de los principales obstáculos que limitan la comercialización a gran escala del PLA y el PBAT.

Tres retos fundamentales relacionados con los equipos

Los monómeros termosensibles sufren polimerización y degradación durante la destilación convencional

El ácido láctico sufre fácilmente deshidratación intermolecular y autopolimerización a temperaturas de destilación convencionales, lo que genera impurezas en forma de oligómeros. El lactido es igualmente vulnerable, ya que sufre degradación por apertura de anillo y decoloración a temperaturas elevadas.

La destilación tradicional suele dar lugar a un exceso de Pérdida del producto 10% aunque todavía se sigue luchando por alcanzar una pureza propia de los polímeros (≥99,51 TP3T).

La solución más adecuada combina pretratamiento a baja temperatura con purificación de alta precisión. La destilación de recorrido corto elimina en primer lugar los componentes pesados y concentra la materia prima a una presión extremadamente baja y con tiempos de residencia muy cortos. A continuación, el material se purifica mediante destilación fraccionada (en el caso de los monómeros líquidos) o cristalización en estado fundido (en el caso de los monómeros sólidos, como el lactido).

Equipamiento recomendado

Destilación de recorrido corto / Evaporador de película fina (pretratamiento y eliminación de componentes pesados)

↓

Sistema de destilación / Cristalización en estado fundido (purificación final hasta un grado de polímero ≥99,51 TP3T)

Las masas fundidas de polímeros de alta viscosidad limitan la eliminación del monómero residual

Durante la polimerización por apertura de anillo del PLA y la policondensación en estado fundido del PBAT, la viscosidad en estado fundido puede superar varios cientos de miles de cP.

Los recipientes tradicionales con agitación no proporcionan una renovación suficiente de la superficie y presentan una transferencia de masa gas-líquido deficiente, lo que dificulta la eliminación de los residuos de BDO, ácido adípico y otros monómeros. Estos residuos afectan directamente a las propiedades mecánicas, al comportamiento frente a los olores y a la seguridad en el contacto con alimentos.

En la práctica industrial, la desvolatilización se divide en dos rangos de viscosidad:

• Evaporadores horizontales de película fina para fundidos de viscosidad media a alta
• Extrusoras de desvolatilización para polímeros de viscosidad ultraalta

La combinación de ambas tecnologías se ha convertido en la solución industrial preferida para el PLA, el PBAT y otros sistemas poliméricos similares.

Equipamiento recomendado

Evaporador horizontal de película fina (desvolatilización primaria)

Extrusora de desvolatilización (desvolatilización secundaria profunda)

La fabricación continua requiere una integración total de los procesos

Los materiales biodegradables no pueden competir económicamente con los plásticos petroquímicos cuando se fabrican por lotes.

La transición a la fabricación continua implica mucho más que la simple sustitución de equipos individuales. Las unidades de destilación, reacción, separación y desvolatilización deben funcionar como un proceso integrado.

Esto supone unas exigencias considerablemente mayores en cuanto al diseño técnico, la integración de sistemas y las capacidades de puesta en marcha.

Solución recomendada

Componentes internos avanzados de destilación

Paquete de procesos continuos integrados

(Incluye simulación de procesos, integración de sistemas y puesta en marcha in situ)

Explicación de tres tecnologías fundamentales

Destilación de recorrido corto: la etapa esencial de pretratamiento

La destilación de recorrido corto —también conocida como destilación molecular— reduce la distancia entre las superficies de evaporación y condensación hasta el recorrido libre medio de las moléculas. Las presiones de funcionamiento pueden alcanzar 1 Pa, mientras que los tiempos de residencia se mantienen por debajo de 10 segundos.

Estas condiciones reducen considerablemente la exposición térmica, lo que minimiza de forma eficaz la polimerización del ácido láctico y la degradación del lactido.

En la purificación de monómeros, la destilación de recorrido corto se utiliza principalmente para el pretratamiento y la eliminación de componentes pesados, más que para la purificación final. Permite concentrar el ácido láctico bruto, recuperar componentes valiosos de las corrientes de residuos de lactida y eliminar oligómeros y subproductos pesados antes de la purificación posterior.

Comparación de rendimiento

Indicador de rendimiento	Destilación convencional	Destilación de recorrido corto (Datos industriales de DODGEN)
Rendimiento (concentración bruta de ácido láctico / recuperación de residuos de lactida)	≤90%	≥97%
Pérdida por polimerización y degradación térmica	Alto (>10% típico)	Reducido en más de 80%
Vacío de funcionamiento	Cientos de Pa	A partir de 1 Pa
Tiempo de permanencia del material	Acta	<10 segundos

Los datos se basan en ensayos industriales sobre la concentración de ácido láctico bruto y la recuperación de residuos de lactida realizados por DODGEN.

Destilación y cristalización en estado fundido: dos métodos de purificación de precisión

Una vez finalizado el pretratamiento, para alcanzar una pureza apta para polímeros (≥99,51 TP3T) es necesario seleccionar la tecnología de purificación adecuada.

Destilación

Apto para monómeros líquidos

El ácido láctico, los glicoles de origen biológico y otros monómeros líquidos similares se purifican mediante elementos internos de columna de alta eficiencia, capaces de separar componentes con puntos de ebullición muy próximos entre sí.

La destilación también sirve como etapa inicial de purificación del lactido bruto.

Cristalización en fusión

Recomendado para monómeros sólidos

Dado que el lactido tiene un punto de fusión bien definido, cristalización por fusión utiliza el equilibrio sólido-líquido para conseguir tanto la pureza química como la pureza óptica.

Sigue siendo la tecnología preferida del sector para la producción de L-lactida con pureza óptica ≥99,51 TP3T, un rendimiento que la destilación convencional no puede alcanzar debido a su incapacidad para separar los isómeros ópticos.

A la hora de procesar materiales con baja tensión superficial, que forman espuma o sensibles al calor, los elementos internos de las columnas cobran especial importancia.

DODGEN ha optimizado la combinación de relleno estructurado y distribuidores de líquido avanzados, lo que ha permitido obtener mejoras comprobadas en el rendimiento industrial, a saber:

• 20%+: aumento de la eficiencia teórica de los platos
• Reducción del consumo energético por unidad: 15–25%

Evaporadores horizontales de película fina + extrusoras de desvolatilización

La desvolatilización de polímeros de alta viscosidad requiere una transferencia de masa gas-líquido eficiente en condiciones de extrema viscosidad, algo que los recipientes agitados convencionales no pueden proporcionar.

En la práctica industrial, el proceso se divide en dos fases.

Evaporador horizontal de película fina

Viscosidad adecuada:

30 000–200 000 cP

El rotor renueva continuamente la película de líquido, lo que mejora considerablemente la transferencia de masa al tiempo que mantiene un tiempo de residencia controlable.

La validación industrial en varias plantas comerciales de PLA y PBAT ha demostrado que las tasas de eliminación de monómeros residuales superan 99% durante la desvolatilización primaria.

Extrusora de desvolatilización

Viscosidad adecuada:

Por encima de 200 000 cP (hasta aproximadamente 500 000 cP)

A estos niveles de viscosidad, la formación de una película en el interior de los evaporadores resulta cada vez más difícil.

Una extrusora de desvolatilización utiliza el transporte forzado por tornillo y la formación de una película de alto cizallamiento para reducir las concentraciones residuales de monómero por debajo de los límites establecidos en las especificaciones del producto.

Configuración industrial recomendada

Evaporador horizontal de película fina

↓

Extrusora de desvolatilización

Esta combinación cubre de forma eficaz todo el rango de viscosidad, desde la viscosidad media-alta hasta la ultraalta, y se ha convertido en una de las soluciones de ingeniería más consolidadas para la producción comercial de PLA, PBAT, PBS y polímeros biodegradables similares.

Integración de sistemas: el verdadero reto que se esconde tras la producción comercial

El mayor reto en la fabricación de materiales biodegradables rara vez radica en un único equipo.

Más bien, radica en la integración entre las unidades de proceso.

Desde la purificación de los monómeros hasta la desvolatilización de los polímeros, cualquier desviación en cualquier fase puede propagarse a las fases posteriores y, en última instancia, comprometer la calidad del producto final.

Por lo tanto, la capacidad de ofrecer una solución integral —desde la simulación de procesos y el diseño de equipos hasta la fabricación, la instalación y la puesta en marcha— desempeña un papel decisivo a la hora de reducir el riesgo del proyecto.

La adquisición de unidades individuales a distintos proveedores suele trasladar la carga de la integración directamente al propietario de la planta.

Plazos de ejecución de los proyectos más cortos

DODGEN Ha puesto en marcha con éxito varias líneas de producción en continuo de materiales biodegradables con capacidades anuales de decenas de miles de toneladas.

En comparación con la contratación fragmentada, su enfoque de ejecución integrado ha reducido los plazos generales de los proyectos en aproximadamente 30%.

Guía de selección de equipos

Pretratamiento de la materia prima y eliminación de componentes pesados

Equipamiento

Destilación de recorrido corto / Evaporador de película fina

Parámetros clave

• Vacío de funcionamiento: aproximadamente 1 Pa
• Tiempo de permanencia: menos de 10 segundos

Prioridad de selección

Evalúa la protección de los materiales sensibles al calor, en lugar de limitarte únicamente a la capacidad de evaporación.

Purificación de precisión (grado polimérico)

Equipamiento

Sistema de destilación de alta eficiencia (monómeros líquidos)

Cristalización por fusión (lactida y monómeros sólidos similares)

Parámetros clave

• Pureza química ≥99,51 TP3T
• L-lactida, pureza óptica ≥99,51 TP3T

Prioridad de selección

El lactido debe purificarse mediante cristalización en estado fundido. La destilación por sí sola no permite alcanzar la pureza óptica requerida.

Desvolatilización de polímeros (viscosidad media a alta)

Equipamiento

Evaporador horizontal de película fina

Parámetro clave

Eliminación de monómeros residuales >99%

Prioridad de selección

El diseño del rotor determina la eficiencia de la renovación de la superficie y el rendimiento general.

Desvolatilización de polímeros (viscosidad ultraalta)

Equipamiento

Extrusora de desvolatilización (normalmente combinada con un evaporador de película fina)

Parámetro clave

El contenido residual de monómero es inferior al establecido en las especificaciones del producto.

Prioridad de selección

La configuración de los tornillos y el diseño de los conductos de ventilación influyen directamente en el rendimiento de la desvolatilización profunda.

Integración completa de los procesos

Capacidad requerida

Simulación de procesos → Ingeniería de equipos → Fabricación → Puesta en marcha

Datos de referencia

La ejecución integrada de proyectos puede reducir los plazos de los mismos en aproximadamente un 30% en comparación con la contratación fragmentada.

Prioridad de selección

Evaluar a los proveedores en función de su experiencia en la ejecución satisfactoria de proyectos similares relacionados con materiales de origen biológico.

PUNTOS CLAVE

① Los monómeros termosensibles deben someterse a un pretratamiento de destilación de recorrido corto, lo que reduce las pérdidas por polimerización y degradación térmica en más de 80% al tiempo que se aumenta la producción de ácido láctico a partir de De ≤90% a ≥97%.

② La cristalización por fusión es la tecnología de purificación preferida para el lactido, mientras que la destilación sigue siendo la solución principal para los monómeros líquidos, como el ácido láctico y los glicoles de origen biológico.

③ La desvolatilización de polímeros de alta viscosidad se consigue de forma más eficaz mediante una combinación de evaporadores horizontales de película fina y extrusoras de desvolatilización, lo que permite alcanzar tasas de eliminación de monómero residual superiores a 99%.

④ La integración de sistemas es el verdadero obstáculo para la producción de materiales biodegradables a escala comercial. En comparación con la contratación fragmentada, la ejecución integrada de proyectos puede acortar los plazos de los mismos en aproximadamente 30%.